风力发电基础理论

• 二、作用在运动桨叶上的气动力 • 按照伯努利理论，桨叶上表面的气流速度较高， 下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕桨叶的 流动可看成由两个不同的流动组合而成：一个是将 翼型置于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动，另 一个是空气环绕桨叶表面的流动。而桨叶升力则由 于在桨叶表面上存在一速度环量如图2-3所示。
风轮叶片 风轮轴承 风轮轮毂 齿轮箱 发电机
底座 偏航系统 变频器
变速变桨距风电机组（变速运行、变 桨距调节） 多级增速齿轮箱+双馈发电机 风轮直接驱动（无齿轮箱）+多极 同步电机（永磁或交流励磁） 混合式（单级增速齿轮箱+多极同 步电机）
• 五、变桨距型风电机组的功率调节
变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收， 保持一定的输出功率； 变桨距调节的优点是机组起动性能好，输出功率稳定，机组 结构受力小，停机方便安全； 变桨距调节的缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率， 控制程序比较复杂。
风力发电基础理论
第一章 风与风力资源概述
一、风的产生与特性
–产生：风是地球外表大
气层由于太阳的热辐射 而引起的空气流动；大 气压差是风产生的根本 原因。 • 特性：周期性、多样 性、 复杂性。
二、风能的利用
按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式 的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水 灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风 能利用的主要领域是风力发电。
• 液压系统的压力控制和温度控制 ；
• 变速与变桨距调节：跟踪最佳运行曲线，最大捕获风 能； • 有功功率和无功功率的解藕控制：提高输出电能品质。 • 故障检测与复位：人工手动复位和自动复位； • 偏航与解缆：当风向改变时执行自动偏航；人工偏航 包括：顶部机舱手动偏航；塔底操作面板手动偏航； 远程偏航。当电缆缠绕时执行解缆操作。 • 脱网：当机组运行自身和外部条件不满足时，机组执 行脱网程序。
电气图 • 功率回路:
双馈电机+多级增速箱的变速风电机组的特点
• 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率 变换器（一般为双PWM交直交型变换器）连接到电 网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并 且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。 • 该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出 频率和转子机械频率的关系，通过改变转子的励 磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最 大风能捕获。 • 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的 有功和无功的解偶控制，可以为电网输出无功， 保证了输出电能质量。
• 为了表示压力沿表面的变化，可作桨叶表面的垂线， 用垂线的长度KP表示各部分压力的大小 p p0 KP • 1 2 v (2-16) 2 • 式中 p——桨叶表面上的静压； • ρ、p0 、v——无限远处的来流条件。 • 连接各垂直线段长度KP的端点，得到图2-4a，其中上 表面KP为负，下表面KP为正。
变速风电机组的总体结构（多级齿轮箱和 双馈电机）
690VAC电网
低速轴 叶轮
齿轮箱
高速轴
双 馈 电 机
转子侧 变换器 电网侧 变换器
变桨距机构
参数监测
过压保护
主控制器
变频控制器
中央监控系统
电网侧逆变器和转子侧逆变器
• 连续的总线由一排用以保持稳定直流电压的电容器组成,与之平行的还 有一排电阻(高阻抗),这种电阻用以给总线缓慢的放电.完全的放电过程 (800Vdc的工作电压)大约持续10分钟. • 直流充电分两步: • 步骤一:”预充电” 我们用三个电阻来进行预充电,当直流电压超过 450V时跳转到第二步 • 步骤二:”充电”:当直流电压高于450V时,CCU脱开电阻的连接并连 接到电网侧的逆变器直到充电到800Vdc • 电网侧的逆变器由一个单一的SKIIP模块组成，由三个IGBT’s组成， 将交流信号变换为直流信号. • 斩波器由一个串联放电电阻的IGBT组成; IGBT信号的触发导致全部 或部分总线电压的释放,它们的作用就是防止在总线上发生直流电涌. • 转子变频器由三个SKIIP模块组成,每个模块负责一相,每相包含4个 IGBT,通常它们将直流转换为交流以控制转子的频率,从而得到同步转 速;转子侧的模块可以作为直流逆变器工作,高转速时转子同样可以发 电. • Crowbar 是由一组带有晶闸管的平行二极管组成的保护元件,晶闸管 的触发将会短接转子各相,以阻止逆变器过电流,它的动作可将风机处 于完全停止的状态.
六、风电机组的基本运行过程
• 开机自检：对于第一次上电需要该过程。机组自动检 测电网、风况、环境温度、机组本身状态（如：各种 温度、压力油位、控制电源、安全链、维护开关位置 等在正常状态）； • 待机：自检通过后，开始执行“制动解除”即松闸和 “机舱对风”（当风速达到对风风速〉2.5m/s)。如 风速低于启动风速3m/s，则机组处于待机状态； • 启动与并网：风轮在风的升力作用下开始旋转，当转 速达到并网转速时，执行并网过程； • 启动方式：自动启动；顶部机舱启动；塔底操作面板 启动；远程启动（在中央监控室）。
2Rn R v v
• • • • n—风轮的转速，单位为r/s ； ω—风轮角频率，单位为rad/； R—风轮半径，单位为m； v—上游风速，单位为m/s 。
第三章 桨叶的几何参数和空气动力特性
• 一、翼型的几何参数和气流角
C
θ0 B l
f
A
θ
i
• a) b) • 图2-2翼型的几何参数和气流角 • B点——后缘（Trailing edge)； • A点——前缘（Leading edge)，它是距后缘最远的点； • l ——翼型的弦长，是两端点A, B连线方向上翼型的最大长度； • C ——最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度； • f ——翼型中线最大弯 • I ——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角； • θ0——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角； • θ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角 • i=θ+ θ0 (2-15) • 此处θ0是负值，θ和i是正值。
三、风能开发的意义
• 风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。 在所有新能源、可再生能源利用技术中，风力发电 是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方 式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、 保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着 极其重要的意义。大力发展风电，这已经成为世界 上的共识。
Leabharlann Baidu 二、空气密度的确定
• 在海拔500m以下，取标准大气压下15℃的空气密度1.225进行计算。 • 超过500m时，需要计及空气密度随高度的变化，可采用下式计算：
1.225(1 0.022557Z ) kg / m
4.256
• 上式适用于海拔高度Z小于11Km的情况 • 如果需要进行精确计算，则有：
变速恒频风机的优缺点如下： 优点：1.机电转换效率高 缺点：1.电机结构较为复杂； 2.风轮转速和电机控 制较难； 3.增加一套电子变流 设施。
•
一、风电机切入、切出风速定义
– 事实上，风力机不能获得全部理论上的能量，他受到 其他因素的限制。 – 当风速由零逐渐增加时，仅仅在某一风速——Vm开始 工作风速（Cut-in speed）风力机才开始提供功率；当 风速继续增加到某一确定值——VN额定风速（Rated wind speed）时，风机提供正常功率，超过该值时， 利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速继续 增加达到某一值——VM切断风速（Furling speed or Cut-out speed），处于安全考虑，风力机停止运转 。 – 我国一般规定以3-20m/s的风速称为“有效风速”
四、风的目测和风力等级
风级 0 名称 无风 相应风速(m/s) 0~0.2 表现 零级无风炊烟上
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
软风
轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风
0.3~1.5
1.6~3.5 3.6~5.4 5.5~7.9 8~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 >32.6
Cl Cd
0.8 0.6 0.4 0.2 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Cd Cl
i /(0)_
第五章变桨变速型风电机组
• 变速恒频技术解决机电转换效率低的问题。变速 恒频技术就是将风机的转速做成可变的，并采用 双馈式发电机，通过控制使发电机在任何转速下 都始终工作在最佳状态，机电转换效率达到最高， 输出功率最大，而频率不变。变速恒频风机的特 性曲线
2
• 式中 P—风力机实际获得的轴功率，单位为W； • ρ —空气密度，单位为kg/m3 ； • S —风轮的扫风面积，单位为m2 ; • v —上游风速，单位为m/s 。
三、自由流场中的风轮 风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。 贝兹理论中的假设： ——叶轮是理想的； ——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； ——气流始终沿着叶轮轴线； ——叶轮处在单元流管模型中，如图； ——流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V2。
•
二、风力发电机组的简单发电原理
风
一、风力发电机组的简单发电原理
电
机组
• 风力发电机组（以下简称风力机）是一种将 风能转换为电能的能量转换装置
风
叶轮
传动系
发电机
电
控制系统
三、风电机组控制系统的相关定义
• 控制系统：接受风力发电机组信息和环境信息，调节风 力发电机组，使其保持在工作要求范围内的系统。（解 释：一组程序逻辑保证机组在规定的外部条件下能有效、 安全运行。针对变速恒频机组还要求供电品质和风能转 换效率。） • 安全保护系统：确保风力发电机组运行在设计范围内的 系统。当超速、振动、电网故障等外部条件极限值出现 后，保护系统执行安全方案。 • 外部条件：影响风力发电机组工作的各种外部因素，包 括风况、其他气候因素（温度、雪、冰等）和电网条件。
Fl Kp F
A
+ a) v i b)
Fd B
三、升力和阻力系数的变化曲线
• Cl和Cd随攻角的变化， 研究升力系数的变化， 它由直线和曲线两部分 组成。与Clmax对应的 iM点称为失速点，超过 失速点后，升力系数下 降，阻力系数迅速增加。 负攻角时，Cl也呈曲线 形，Cl通过一最低点 Clmin。
一级软风烟稍斜
二级轻风树叶响 三级微风树枝晃 四级和风灰尘起 五级清风水起波 六级强风大树摇 七级疾风步难行 八级大风树枝折 九级烈风烟囱毁 十级狂风树根拔 十一级暴风陆罕见 十二级飓风浪涛天
第二章 风力机的能量转换过程
• 一、风能的计算
•
气流的动能为：
1 E Sv 3 2
在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3 ；V 的单位是m3；v的单位是m/s；E的单位 是W。 从风能公式可以看出，风能的大小与 气流密度和通过的面积成正比，与气流 速度的立方成正比。其中ρ和v随地理位 置、海拔、地形等因素而变
四、风电机组控制系统的相关定义
• 失效（failure)：执行某项规定 功能的终结。 • 失效-安全(fail-safe)：设计特 性中的一项，即设备或系统中 个别部件失效时仍能保持设备 或系统的安全。 • 故障（fault）：不能执行某规 定功能的一种特征状态。是功 能项失效的结果。 • 冗余技术（redundancy)：应 用两路器件或系统，用于确保 一路器件或系统失效时，另一 路器件或系统仍能有效地执行 所要求的功能。
A S1v1 Sv S2v2
B D
风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部 分可以解释为留在尾流中的旋转动。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电 机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数
• 2．叶尖速比λ • 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。 • (2-14)
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压 力
3
273 p 0.378 ps 1.2931 T 101325
式中 ——大气压力，； ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压力
• 四、风力机的特性系数 • • 1．风能利用系数CP • 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利 用率系数CP表示，由式 (2-11）知 P • (2-13) CP 1 v 3 S